基于電液數(shù)字閥的智能型潛孔鉆機(jī)機(jī)械手研究

顏武剛,代建龍,王鋒,尹千才,龍愛(ài)民,未崴

(湖南創(chuàng)遠(yuǎn)高新機(jī)械有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引言

我國(guó)地下礦山大直徑深孔施工普遍以潛孔鉆機(jī)施工為主,傳統(tǒng)潛孔鉆機(jī)穿孔作業(yè)需要人工搬運(yùn)、裝卸鉆桿,智能化程度低、輔助作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、綜合工效低。

隨著國(guó)家對(duì)礦山產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,建設(shè)“綠色、安全、和諧、智能、高效”的智能礦山是大勢(shì)所趨,而采礦裝備的智能化是推動(dòng)智能礦山建設(shè)的關(guān)鍵所在。

就潛孔鉆機(jī)而言,實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵在于如何解決全流程自主接卸鉆桿。為了解決此問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)同類(lèi)產(chǎn)品都是通過(guò)在推進(jìn)器上安裝鉆桿庫(kù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化接卸鉆桿,雖然其解決了人工接卸鉆桿的問(wèn)題,但推進(jìn)器上安裝鉆桿庫(kù)導(dǎo)致推進(jìn)器體積龐大,嚴(yán)重限制了鉆機(jī)的鉆孔深度和直徑,使得鉆機(jī)擺幅較小,靠幫距較大(大于900 mm),作業(yè)范圍受限,難以滿(mǎn)足釆礦工藝的要求。

針對(duì)傳統(tǒng)潛孔鉆機(jī)存在智能化程度低、定位精度低、作業(yè)范圍受限等缺點(diǎn),湖南創(chuàng)遠(yuǎn)高新機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)了多自由度機(jī)械手,應(yīng)用雙閥芯電液數(shù)字閥控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)景、全環(huán)節(jié)的自主接卸鉆桿,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)大直徑超深孔(100 m 以上)鉆鑿和超大距離平移,作業(yè)靠幫距小于500 mm,作業(yè)范圍更廣。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手主要由滑臺(tái)、擺動(dòng)油缸、馬達(dá)、卡爪等組成,如圖1所示。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手在潛孔鉆機(jī)的布置如圖2所示。通過(guò)采用滑移式多自由度液壓機(jī)械手替代人工自主完成接卸鉆桿,應(yīng)用雙閥芯電液數(shù)字閥控制技術(shù)和機(jī)器人控制模塊精確控制多自由度機(jī)械手自動(dòng)按預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)鉆桿抓取、搬運(yùn)和末端高精度定位。

圖2 機(jī)械手在潛孔鉆機(jī)的布置

2 雙閥芯電液數(shù)字閥結(jié)構(gòu)和原理

由圖3可知,雙閥芯電液數(shù)字閥工作聯(lián)由主級(jí)和先導(dǎo)級(jí)組成,先導(dǎo)級(jí)采用音圈驅(qū)動(dòng),只需極小電流便可實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)驅(qū)動(dòng),主級(jí)包含2個(gè)主閥芯,因此,可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)工作油口A、B 的壓力或流量的獨(dú)立控制,從而解決傳統(tǒng)閥芯進(jìn)、出油口之間的機(jī)械耦合問(wèn)題,使得控制更加靈活。每個(gè)主閥芯內(nèi)置位移傳感器,工作油口A、B 的內(nèi)嵌壓力傳感器,通過(guò)數(shù)字閥自帶的控制單元進(jìn)行閥本身的小閉環(huán)控制,從而保證輸出流量穩(wěn)定。

圖3 雙閥芯電液數(shù)字閥工作聯(lián)結(jié)構(gòu)組成

圖4為雙閥芯電液數(shù)字閥應(yīng)用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的原理圖。傳統(tǒng)電液比例閥回路中必須要有的梭閥、壓力補(bǔ)償器等元件都會(huì)帶來(lái)一定的壓力、能量損失和發(fā)熱,不節(jié)能,且只有一個(gè)閥芯,進(jìn)、出油口之間是機(jī)械耦合聯(lián)動(dòng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)工作油口A、B的獨(dú)立控制。

圖4 雙閥芯電液數(shù)字閥液壓原理

與傳統(tǒng)電液比例閥相比,雙閥芯電液數(shù)字閥采用負(fù)載口壓力、流量感應(yīng)的方式,可以直接通過(guò)CAN bus總線控制LS壓力控制主閥來(lái)控制系統(tǒng)的LS反饋壓力,無(wú)需多余的管路連接,全電子化實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償和負(fù)載敏感功能[1-3]。每片數(shù)字閥通過(guò)一個(gè)三位四通電比例先導(dǎo)控制閥和一個(gè)三位三通主控制閥實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件壓力、流量的控制,各油口只需要用電控程序單獨(dú)控制各閥芯的開(kāi)度,就可以實(shí)現(xiàn)各種需要的流量分配方式,如流量等比例下降、等值下降或者單獨(dú)某一個(gè)下降等。

3 雙閥芯電液數(shù)字閥在機(jī)械手的應(yīng)用

3.1 雙閥芯電液數(shù)字閥控制策略

由圖1可知,機(jī)械手通過(guò)4個(gè)擺動(dòng)油缸和1個(gè)移動(dòng)馬達(dá)構(gòu)成5個(gè)自由度,移動(dòng)馬達(dá)在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所承受的負(fù)載變化不大且負(fù)載方向在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持不變;4個(gè)擺動(dòng)油缸在機(jī)械手抓取、搬運(yùn)和末端定位鉆桿的過(guò)程中負(fù)載變化較大,負(fù)載方向在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化,以擺動(dòng)油缸④為例研究分析雙閥芯電液數(shù)字閥的控制策略。

由于擺動(dòng)油缸④在機(jī)械手抓取、搬運(yùn)和末端定位鉆桿過(guò)程中的負(fù)載方向發(fā)生變化,因此,通過(guò)閥專(zhuān)用的PRO-FX Configure 2.0軟件選擇IFC 智能流量控制模式,在該模式下可以分別設(shè)定正負(fù)載和負(fù)負(fù)載工況下工作油口A、B 的背壓值。在IFC 智能流量控制模式下閥自帶的控制單元可根據(jù)工況自動(dòng)選擇壓力控制模式、流量控制模式或壓力流量復(fù)合控制模式,控制擺動(dòng)油缸④工作油口A、B的流量或壓力,從而在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)低能耗和高精度控制。

機(jī)械手從抓取鉆桿到運(yùn)動(dòng)至垂直90°的過(guò)程中,擺動(dòng)油缸④承載為正負(fù)載,此時(shí)采取“進(jìn)油流量控制,回油壓力控制”策略,進(jìn)油口A 流量控制是通過(guò)閥內(nèi)置的壓力傳感器檢測(cè)主閥芯兩側(cè)的壓差,再根據(jù)所需流量的多少,計(jì)算出閥芯位移大小;回油口B采用壓力控制,使該側(cè)維持一個(gè)低值的壓力,使得系統(tǒng)更加節(jié)能、高效,如圖5所示。

圖5 擺動(dòng)油缸④承載為正負(fù)載時(shí)的控制策略

機(jī)械手從垂直90°運(yùn)動(dòng)至鉆桿末端定位過(guò)程中,擺動(dòng)油缸④承載為負(fù)負(fù)載,此時(shí)采取“進(jìn)油壓力控制,回油流量控制”策略,由于回油口B 采取了流量控制,因此,可將平衡閥用液壓鎖替換,從而在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)也保證了系統(tǒng)的保壓性能。進(jìn)油口A 采取壓力控制,通過(guò)壓力傳感器的閉環(huán)控制來(lái)維持一個(gè)較低的壓力,在提高系統(tǒng)效率降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)也可防止系統(tǒng)出現(xiàn)氣穴[4],如圖6所示。

圖6 擺動(dòng)油缸④承載為負(fù)負(fù)載時(shí)的控制策略

當(dāng)機(jī)械手將鉆桿從推進(jìn)器抓取、搬運(yùn)及存放至鉆桿庫(kù)時(shí),擺動(dòng)油缸④的控制策略與上述過(guò)程一致。

以擺動(dòng)油缸④承載為正負(fù)載為例,對(duì)壓力流量復(fù)合控制模式進(jìn)行理論分析[5]。

(1)進(jìn)油口A 采用流量控制,流量方程為:

式中,Qj為進(jìn)油流量,L/min;n為擺動(dòng)油缸④的轉(zhuǎn)速,r/min;q為擺動(dòng)油缸④的排量,m L/r;Xj為進(jìn)油口A 主閥芯位移,mm;ρ為油液密度,kg/m3;ΔP為主閥芯前后壓差,×105Pa。

由式(1)可知,通過(guò)閥內(nèi)置的壓力傳感器檢測(cè)進(jìn)油口A 主閥芯兩側(cè)的壓差ΔPj,根據(jù)預(yù)設(shè)流量Qj就可以計(jì)算出閥芯位移Xj,準(zhǔn)確控制擺動(dòng)油缸④的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)精確定位,如果擺動(dòng)油缸④運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主閥芯兩側(cè)的壓差ΔPj或閥芯位移Xj出現(xiàn)變化,則數(shù)字閥自帶的控制單元進(jìn)行閥本身的小閉環(huán)(見(jiàn)圖7)控制修正閥芯位移Xj,從而保證輸出流量穩(wěn)定。

圖7 數(shù)字閥小閉環(huán)控制框架圖

(2)回油口B 采用壓力控制,在忽略擺動(dòng)油缸④泄漏的情況下,進(jìn)油流量等于回油流量,即Qj=Qh,為了使回油口B 主閥芯保持一個(gè)恒定的背壓Ph,則回油口B主閥芯位移Xh為:

式中,Xh為回油口B 主閥芯位移,mm;Qh為回油流量,L/min;d為主閥芯直徑,mm;Δ 為閥芯與閥體內(nèi)孔徑向間隙,mm。

由式(2)可知,通過(guò)閥內(nèi)置的壓力傳感器檢測(cè)回油口B主閥芯兩側(cè)的壓力Ph、Pt,根據(jù)預(yù)設(shè)流量Qj就可以計(jì)算出回油口B 主閥芯位移,準(zhǔn)確控制擺動(dòng)油缸④的回油背壓Ph,如果擺動(dòng)油缸④運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主閥芯兩側(cè)的壓差ΔP或閥芯位移Xh出現(xiàn)變化,則數(shù)字閥自帶的控制單元進(jìn)行閥本身的小閉環(huán)(見(jiàn)圖7)控制修正閥芯位移Xh從而保證回油背壓Ph的穩(wěn)定。

3.2 雙閥芯數(shù)字液壓控制系統(tǒng)框架

為了最終實(shí)現(xiàn)多自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程的精準(zhǔn)控制,搭建了圖8所示的雙閥芯數(shù)字液壓控制系統(tǒng)框架,整個(gè)閉環(huán)控制和實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

圖8 雙閥芯數(shù)字液壓控制系統(tǒng)框架

(1)首先將多自由度機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入工控機(jī),并根據(jù)使用要求完成機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃,工控機(jī)內(nèi)置的機(jī)器人控制模塊發(fā)出指令。

(2)車(chē)載端控制器接受來(lái)自工控機(jī)的控制指令,將工控機(jī)指令轉(zhuǎn)換為數(shù)字液壓閥的控制信號(hào)并向數(shù)字液壓閥發(fā)出控制指令。

(3)數(shù)字液壓閥接受來(lái)自車(chē)載端控制器的控制指令,并根據(jù)指令要求控制閥芯的開(kāi)度和系統(tǒng)壓力,使機(jī)械手各自由度的執(zhí)行元件(馬達(dá)、油缸等)按預(yù)設(shè)的參數(shù)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。

(4)實(shí)時(shí)檢測(cè)多自由度機(jī)械手各自由度的角度、位移等數(shù)據(jù),并將該數(shù)據(jù)反饋至車(chē)載端控制器;同時(shí)數(shù)字液壓閥將壓力、流量等信息也反饋至車(chē)載端控制器。

(5)車(chē)載端控制器將接受到的反饋數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換并反饋至工控機(jī)。

(6)工控機(jī)將反饋回來(lái)的機(jī)械手各個(gè)自由度的角度、位移等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較,并根據(jù)比較結(jié)果及時(shí)對(duì)數(shù)字閥控制參數(shù)值進(jìn)行修正,直至機(jī)械手各個(gè)自由度的角度、位移值達(dá)到預(yù)設(shè)要求,閉環(huán)控制完成。

3.3 雙閥芯數(shù)字液壓控制技術(shù)在機(jī)械手的應(yīng)用

根據(jù)3.1、3.2節(jié)的分析,分別對(duì)擺動(dòng)油缸④承載為正負(fù)載時(shí)采取“進(jìn)油流量控制,回油壓力控制”策略及承載為負(fù)負(fù)載時(shí)采取“進(jìn)油壓力控制,回油流量控制”策略?xún)煞N工況進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖9至圖12所示。

圖9 正負(fù)載時(shí)各油口壓力變化

圖9、圖10為擺動(dòng)油缸④承載為正負(fù)載時(shí)采取“進(jìn)油流量控制,回油壓力控制”策略時(shí)的壓力、閥芯位移曲線,由圖10可知,在系統(tǒng)穩(wěn)定后,各油口壓力基本保持穩(wěn)定,B 口回油背壓維持在預(yù)設(shè)壓力1 MPa左右;圖11、圖12為擺動(dòng)油缸④承載為負(fù)負(fù)載時(shí)采取“進(jìn)油壓力控制,回油流量控制”策略時(shí)的壓力、閥芯位移曲線,由圖12可知,在系統(tǒng)穩(wěn)定后,各油口壓力基本保持穩(wěn)定,A 口回油背壓維持在預(yù)設(shè)壓力1.5 MPa左右,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)油控制速度,回油控制壓力的流量壓力復(fù)合控制功能。

圖10 正負(fù)載時(shí)A、B油口閥芯位移變化

圖11 負(fù)負(fù)載時(shí)各油口壓力變化

圖12 負(fù)負(fù)載時(shí)A、B油口閥芯位移變化

同時(shí),分別對(duì)閥芯彈簧復(fù)位、閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性做了相關(guān)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如下。

(1)在P口壓力為32.5 MPa,回油壓力為0.1 MPa,液壓油溫為49℃的狀態(tài)下,將彈簧壓縮4.5 mm 后突然斷電。測(cè)試結(jié)果表明,彈簧復(fù)位動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為19 ms,彈簧位移偏差為1μm,如圖13所示。

圖13 閥芯彈簧位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

(2)在P 口壓力為2.9 MPa,回油壓力為0.1 MPa,液壓油溫為53℃的狀態(tài)下,將閥芯開(kāi)度從最大階梯變化至中位。測(cè)試結(jié)果表明,閥芯2次動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間分別為17 ms、7 ms,如圖14所示。

圖14 閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

(3)在P 口壓力為4.8 MPa,回油壓力為0.1 MPa,液壓油溫為53℃的狀態(tài)下,將閥芯開(kāi)度從正1.8 mm 瞬時(shí)變化至負(fù)1.8 mm。測(cè)試結(jié)果表明,閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為61 ms,如圖15所示。

圖15 閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

4 UMD6i智能型潛孔鉆機(jī)及機(jī)械手的應(yīng)用

湖南創(chuàng)遠(yuǎn)高新機(jī)械有限責(zé)任公司專(zhuān)為大中型智能礦山建設(shè)研制的UMD6i智能型潛孔鉆機(jī)已成功應(yīng)用于山西紫金礦業(yè)有限公司的義興寨金礦,并在890 m 中段智慧試驗(yàn)采場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)景、全流程的智能化自主穿孔作業(yè),如圖16至圖19所示。

圖16 鉆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)

圖17 機(jī)械手抓取鉆桿

圖18 機(jī)械手搬運(yùn)鉆桿

圖19 鉆機(jī)自主穿孔作業(yè)

該智能鉆機(jī)通過(guò)雙閥芯數(shù)字液壓控制技術(shù)及機(jī)械手的應(yīng)用,有效提高了設(shè)備的作業(yè)效率和安全水平,極大地改善了井下工人的作業(yè)環(huán)境,現(xiàn)已穿孔1500余米,純穿孔進(jìn)尺效率約為4 min/m,機(jī)械手輔助作業(yè)時(shí)間約為2 min。

5 結(jié)論

(1)本文分析了雙閥芯電液數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn),總結(jié)了雙閥芯電液數(shù)字閥控制技術(shù)與傳統(tǒng)電液比例閥控制系統(tǒng)相比所具有的優(yōu)勢(shì)。

(2)搭建了雙閥芯數(shù)字液壓控制系統(tǒng)框架,并對(duì)雙閥芯電液數(shù)字閥控制策略進(jìn)行了研究,對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了壓力流量復(fù)合控制模式的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,在不同工況下,通過(guò)壓力流量復(fù)合控制模式可以精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力、流量的匹配,提高系統(tǒng)的節(jié)能性及控制的精準(zhǔn)性;對(duì)數(shù)字閥的彈簧復(fù)位及閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性良好,能夠滿(mǎn)足機(jī)械手的高精度定位要求。

(3)搭載雙閥芯數(shù)字液壓控制系統(tǒng)及機(jī)械手的UMD6i智能型潛孔鉆機(jī)已在山西紫金礦業(yè)有限公司的義興寨金礦實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)景、全流程的智能化、高效自主穿孔作業(yè),該設(shè)備的成功研制和應(yīng)用彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)智能潛孔施工裝備領(lǐng)域的空白,對(duì)我國(guó)大中型智能礦山的建設(shè)起到了積極的推動(dòng)和促進(jìn)作用。